Strassenabwasser in der Schweiz Literaturarbeit und Situationsanalyse Schweiz hinsichtlich gewässerökologischer Auswirkungen (Immissionen)

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1 Literaturarbeit und Situationsanalyse Schweiz hinsichtlich gewässerökologischer Auswirkungen (Immissionen) Studie im Auftrag des Bundesamtes für Umwelt (BAFU) AquaPlus Zug, den 21. Dezember 2011

2 Impressum Auftraggeber: Bundesamt für Umwelt (BAFU), Abt. Wasser, CH-3003 Bern Das BAFU ist ein Amt des Eidg. Departements für Umwelt, Verkehr, Energie und Kommunikation (UVEK). Auftragnehmer: AquaPlus Elber Hürlimann Niederberger, Bundesstrasse 6, 6300 Zug Autor/Autorin: Joachim Hürlimann, AquaPlus (Projektleitung Auftragnehmer), Sarah Fässler, AquaPlus (Literaturstudium), Almut Gerhardt, AquaPlus (Ökotoxikologie), Michele Steiner, wst21 (Schadstoffkonzentration, Modellierung Seeufer), Silvia Wyss, AquaPlus (Schlussredaktion) Begleitung BAFU: Patrick Fischer Hinweis: Diese Studie wurde im Auftrag des Bundesamtes für Umwelt (BAFU) verfasst. Für den Inhalt ist allein der Auftragnehmmer verantwortlich.

3 Inhaltsverzeichnis 1 Zusammenfassung 6 2 Ausgangslage und Ziele 14 3 Vorgehen Informations- und Datenbeschaffung Auswertungen Modellierung Situationsanalyse Schweiz 16 4 Charakterisierung von Strassenabwasser Angaben zum Strassennetz der Schweiz Stofffrachten und -konzentrationen Dynamik von Strassenabwasser (stofflich, hydraulisch und saisonal) 28 5 Auswirkungen von Strassenabwasser auf Gewässer Überblick Literaturüberblick Hydraulische Auswirkungen Morphologische Auswirkungen Auswirkungen auf den Äusseren Aspekt Chemisch und physikalisch bedingte Veränderungen im Gewässer durch Eintrag von Strassenabwasser Biologische Auswirkungen Modellierung der Schadstoffakkumulation im ufernahen Seesediment am Beispiel von Zink Auswirkungen auf Lebensräume 66 6 Situationsanalyse Schweiz Erkenntnisse basierend auf der Umfrage (Expertenwissen) Stand des Wissens Gesetze, Wegleitungen, Richtlinien Problematische Prozesse Problematische Lokalitäten, Lebensräume und Regionen der Schweiz Problematische Nutzungen Stofffrachten in Schweizer Gewässer Empfehlungen 78 7 Literaturverzeichnis alphabetisch 81 8 Literaturverzeichnis thematisch Wegleitungen, Empfehlungen und Richtlinien für Strassenabwasser Stoffkonzentrationsuntersuchungen Strassenabwasser und Regenwasserentsorgung Sediment- und Bodenuntersuchungen Strassen, Methoden Schwermetalluntersuchungen Schweizer Studien zu Strassenabwasser im Gewässer Studien über den Einfluss von Strassenabwasser und Schwermetallen auf die Biologie Schweizer Strassen und Verkehrsaufkommen sowie weitere Themen Weiterführende Literatur 104 Anhang A Bericht wst21: Modellierung Seeufer wst21 (2010): Bericht Literaturstudie Modellierung Seeufer. 13 Seiten. A1 B GWA-Artikel (eingereichtes Manuskript) gemäss Publikation: Hürlimann et al. (2011): Auswirkungen von Strassenabwässer auf Oberflächengewässer Gewässerökologische Beurteilung. Gas Wasser Abwasser Heft 11/2011: B1

4 Abbildungsverzeichnis Abb. 3.1: Jährliche Anzahl verwendeter Publikationen, gegliedert nach Themen (n = 220). Datenbasis: Literaturverzeich-nis Kapitel 8 sowie 44 Studien gemäss FHWA (2003) Abb. 4.1: Schweizerisches Nationalstrassennetz und durchschnittlicher Tagesverkehr DTV des Jahres Abb. 4.2: Strassennetz der Schweiz und tägliches Verkehrsaufkommen des Jahres Abb. 4.3: Ganglinien der Wassertemperatur (blau), Leitfähigkeit (rot) und des Abflusspegels (schwarz) im Stienligraben bei Uffikon LU (AquaPlus 2007b) Abb. 4.4: Ganglinien des Niederschlags sowie der Trübung im Zulauf und Auslauf der SABA Zugerstrasse in Cham ZG der Periode bis Abb. 5.1: Eintragswege und Auswirkungen von Strassenabwasser auf die Umwelt und im Speziellen auf die Gewässer Abb. 5.2: Verlauf von Pegel und Wassertemperatur im Stienligraben LU während eines Regenereignisses Abb. 5.3: Beispiele von belasteten Feinsedimentansammlungen (Geruch nach Kohlenwasserstoffen wie Benzin, Öl, Teer sowie Eisensulfid)...40 Abb. 5.4: Beispiele von Beeinträchtigungen des Äusseren Aspektes bezüglich Ablagerung von schwarzen Partikeln (Pneuabrieb etc.), Trübung, Geruch, Eisensulfid und Schaumbildung (ev. Scheibenwaschmittel). 42 Abb. 5.5: Temperaturverlauf während des Regenereignisses vom 17./18. August 2003 im Grienbach ZG (gemäss AquaPlus 2005) Abb. 5.6: Verlauf der Leitfähigkeit während des Regenereignisses vom 31. Dezember 2003 bis und mit 5. Januar 2004 im Grienbach ZG (gemäss AquaPlus 2005)...45 Abb. 5.7: Schadstoffkonzentrationen in der Urtenen während mittleren bis grösseren Regenereignissen am Beispiel von GUS sowie Zink, Kupfer und Blei (Ochsenbein & Scheiwiller 2010) Abb. 5.8: Zinkbelastung im Sediment der Urtenen zwischen dem Moossee und Mattstetten (Ochsenbein & Scheiwiller 2010) Abb. 5.9: Verhältnis zwischen den Gehalten von Kupfer und Zink sowie Cadmium und Zink in Fliessgewässersedimenten der Einzugsgebiete Glatt und Greifensee, Kanton Zürich (AWEL 2006b) Abb. 5.10: PAK und Benzo(a)-pyren im Sediment des Zürichsees an einem flachen mit Sediment bewachsenen Ufer (AWEL 2009b) Abb. 5.11: Ökotoxikologische Reaktion von verschiedenen Organismengruppen im Zusammenhang mit den numerischen Anforderungen der Gewässerschutzverordnung (GSchV, Anhang 2)...60 Abb. 5.12: Modellierung der Zinkakkumulation an einem Flachufer rings um eine Punkteinleitung, über welche Strassenabwasser eingeleitet wird (Strassenfläche 2.5 ha)...65 Abb. 6.1: Strassennetz der Schweiz und tägliches Verkehrsaufkommen des Jahres 2005 sowie allenfalls in Zusammenhang mit stark befahrenen Strassen problematische Ufer grosser Seen (rote Hotspots) Abb. 6.2: Wohin mit dem Strassenabwasser?...80

5 Tabellenverzeichnis Tab. 1.1 Zusammenstellung von Informationen aus diesem Bericht über Schadstoffe im Strassenabwasser, deren typischen Konzentrationen und mögliche Auswirkungen Tab. 1.2: Zusammenstellung von Informationen mit Verweisen auf Kapitel, Tabellen und Abbildungen...13 Tab. 4.1: Durchschnittliches Verkehrsaufkommen auf National- und Hauptstrassen der Schweiz der Jahre 2005 bis 2008 gemäss RappTrans (2009) Tab. 4.2: Schadstoffe im Strassenabwasser und deren Quellen (aus Schriewer 2007 ergänzt mit BUWAL 1996, 2002c, Scheiwiller 2008, Parriaux et. al. 2009, Steiner et al. 2010, Tages-Anzeiger 2010 (US Geological Survey 2009, Unternehmensangaben, FAZ, FT)) Tab. 4.3: Stoffkonzentrationen im Strassenabwasser unterschiedlicher Quellen und Aktualität Tab. 4.4: Schätzung der jährlichen Stofffrachten ab Autobahnen und Hauptstrassen...27 Tab. 4.5: Annahmen zur Berechnung der jährlichen Stofffrachten (gemäss Tab. 4.4) Tab. 5.1: Zusammenstellung von Auswirkungen, welche durch Strassenabwasser unterschiedlicher Beschaffenheit verursacht wurden Tab. 5.2: Gewässerökologische Auswirkungen in Zusammenhang mit hydraulischen Belastungen (ergänzt gemäss Gammeter 1995, AquaPlus 2009a und c) Tab. 5.3: Beeinträchtigungen des Äusseren Aspektes infolge Einleitung von Strassenabwasser...41 Tab. 5.4: Grenz-pH-Werte für die Rücklösung einiger Schwermetalle aus dem Sediment (Scheffer & Schachtschabel 1992)...44 Tab. 5.5: Auswirkungen von Strassenabwasser auf den Grienbach ZG am Beispiel der Leitfähigkeit der Periode vom 27. Juli 2003 bis 13. April 2004 (rund 7.5 Monate) (gemäss AquaPlus 2005) Tab. 5.6: Sedimentuntersuchungen der Kantone Zürich (AWEL 1999, 2002) und Aargau (Umwelt Aargau 2002)...49 Tab. 5.7: Untersuchung von Bach- und Seesedimenten in der Linthebene (AquaPlus 2008a) Tab. 5.8: Kategorisierung der einzelnen Methoden zur Untersuchung des Einflusses von Strassenabwasser auf Flora und Fauna (FHWA 2003) Tab. 5.9: Für Strassenabwasser relevante Substanzen aus der Liste der 33 prioritären Stoffe der EU-WRRL sowie weitere Stoffe gemäss Tab Tab. 6.1: Rückmeldungen zum versandten Fragebogen....70

6 Zusammenfassung 1 Zusammenfassung Ausgangslage In der Schweiz wird Strassenabwasser grösstenteils ohne Vorbehandlung in die Oberflächengewässer eingeleitet. Strassenabwasser kann mit gesamten ungelösten Stoffen (GUS) 1, Schwermetallen, polycyclischen aromatischen Kohlenwasserstoffen (PAK) und Benzinzusatzstoffen hoch belastet sein. Im Rahmen dieser Studie soll eine Situationsanalyse für die Schweiz hinsichtlich gewässerökologischer Auswirkungen von Strassenabwasser durchgeführt werden basierend auf einer Literaturstudie und Expertenbefragungen. Diese Analyse umfasst stehende und fliessende Gewässer und versucht zwischen unterschiedlichen Gewässertypen (Flachwasserzonen, Steilufern, Kleinseen, langsam fliessenden Gewässern etc.) zu unterscheiden. Vorgehen Die Situationsanalyse basiert grundsätzlich auf zwei Ansätzen, nämlich einer umfassenden Literaturstudie und einer Expertenbefragung. In die Literaturstudie flossen insgesamt 220 nationale und internationale Arbeiten zum Thema Strassenabwassser ein. Das Thema Strassenabwasser wird in der Literatur seit 1973 thematisiert, wobei gehäuft erst ab den 1990er Jahren. Die Expertenbefragung erfolgte mittels eines Fragebogens. Es wurden Fachleute der Bereiche Gewässerschutz sowie Strassen- und Siedlungsentwässerung (Bund, Kantone und Institutionen, Firmen) angeschrieben. Die Auswertung dieses Fragebogens führte zu Erkenntnissen, welche in die Situationsanalyse Schweiz einflossen. Die im Rahmen der Expertenbefragung uns zur Verfügung gestellten Studien, respektive die daraus gewonnenen Erkenntnisse flossen in die Literaturstudie ein. Charakterisierung des Strassennetzes Das Strassennetz der Schweiz besteht aus rund km Nationalstrassen, rund 18'000 km Kantonsstrassen und rund 50'000 km Gemeindestrassen. Die Strassenfläche umfasst rund 82'000 ha, was etwa 2 % der Landesfläche entspricht. Das durchschnittliche tägliche Verkehrsaufkommen beträgt bei Nationalstrassen rund 34'000 DTV und bei den Kantonsstrassen rund 7'200 DTV. Die Zahl und genaue Lage der Einleitstellen ist vermutlich in vielen Kantonen nicht im Detail bekannt respektive steht nicht GIS-tauglich zur Verfügung. Bei den Autobahnen werden Einleitstellen in Gewässer erwähnt, so dass pro 2 Kilometer rund 1 Einleitstelle anfällt. Charakterisierung von Strassenabwasser Strassenabwasser enthält eine Vielzahl von potenziellen Schadstoffen. Dabei handelt es sich vorwiegend um Schwermetalle, Kohlenwasserstoffe und in geringeren Mengen um Katalysator- und Benzinzusatzstoffe. Durch die stoffliche und hydraulische Dynamik während einem Regenereignis, wie auch durch saisonale Unterschiede, erweist sich die qualitative und quantitative Charakterisierung des Strassenabwassers als schwierig. Je nach Strassentyp, Breite des Fahrbahnstreifens und Fahrtgeschwindigkeit fliessen lediglich % der Gesamtemission des Strassenverkehrs im abfliessenden Strassenabwasser ab. Mittels einer sehr groben Schätzung durch AquaPlus, wurden folgende jährlich anfallenden Stofffrachten für alle Autobahnen und 1 GUS sind Feststoffe in feindisperser Form, welche bei einer Membranfiltration von 0.45 µm zurückbleiben und weder aufschwimmen noch innert nützlicher Frist absetzbar sind. Die Menge GUS stellt zudem ein Trockengewicht dar, da der Rückstand anschliessend bei 105 C getrocknet wird. AquaPlus Elber Hürlimann Niederberger 6

7 Zusammenfassung Hauptstrassen berechnet (t/jahr): 14'000 GUS, 1.5 Chrom, 8.1 Kupfer, 0.8 Nickel, 2.0 Blei, 39 Zink, 1'900 gelöster organischer Kohlenstoff, 0.3 polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe. Die Tabellen Tab. 4.2 und Tab. 4.3 listen strassenbürtige Schadstoffe auf. Es werden pro Schadstoff oder Schadstoffgruppe soweit uns bekannt mögliche Quellen und Verwendungszwecke sowie beobachtete Konzentrationen im Strassenabwasser aufgeführt. Strassenabwasser fällt je nach Jahreszeit, Verlauf und Intensität des Regenereignisses, der Stoffakkumulation auf der Strasse vor dem Regen sowie den strassen- und verkehrbedingten Verhältnissen in unterschiedlicher Menge und Qualität an. Dies führt zu Belastungsspitzen mit hoher hydraulischer und stofflicher Dynamik. Die Einleitung von Strassenabwasser weist je nach Situation im Gewässer ganz unterschiedliche Effekte auf. So kann zwischen hydraulischen, morphologischen, stofflichen und biologischen Auswirkungen unterschieden werden, wobei es kurz- und langfristige Effekte gibt. Hydraulische Auswirkungen Die hydraulischen Effekte bewirken erhöhte Fliessgeschwindigkeiten und eine Zunahme der Trübung. Die gewässerökologischen Auswirkungen einer hydraulischen Belastung sind vielfältig und stark abhängig von der Gewässergrösse und vom morphologischen Gewässerzustand. Hydraulische Belastungen können die Zahl der Abflüsse mit Geschiebetrieb atypisch erhöhen und zu morphologischen Veränderungen im Gewässer sowie zu einer Verarmung der Lebensgemeinschaften führen. Kurzlebige Pionierarten werden gefördert und die Individuendichte nimmt ab. Um Geschiebetrieb infolge Einleitung von Strassenabwasser zu minimieren, sollte die Menge des eingeleiteten Strassenabwassers zwingend << 60 % des mittleren jährlichen Hochwassers sein, da nebst dem eingeleiteten Strassenabwasser noch dasjenige Wasser aus dem natürlichen Einzugsgebiet hinzukommt. Morphologische Auswirkungen Morphologische Auswirkungen von Strassenabwasser widerspiegeln sich im Gewässer hauptsächlich durch Kolmation der Gewässersohle, Verschlammung, Erosion, Auflandungen und Umlagerung von Feinsedimenten. Feinsedimentablagerungen können zur Verstopfung der Gewässersohle (Kolmation) führen, was sich negativ auf die Qualität und Beschaffenheit des Lebensraumes Interstitial und damit auf die Organismen (v. a. Fauna) wie auch generell auf den hydrologischen Austausch mit dem Grundwasser auswirken kann. Chemisch und physikalische Auswirkungen Ein grosser Teil der Schadstoffabschwemmungen von Strassen ist an feinen Partikeln adsorbiert oder gelöst. Die Einleitung von Strassenabwasser kann zumindest kurzfristig zu erhöhten Konzentrationen im Wasser und zu erhöhten Schadstoffgehalten in Sedimenten führen. Gemäss Tabelle 1.1 weisen im Strassenabwasser zumindest die Schwermetalle Blei, Cadmium, Kupfer, Zink und Quecksilber sowie der DOC-Gehalt erhöhte Konzentrationen auf, sodass auch bei einer 10-fachen Verdünnung die numerischen Anforderungen gemäss GSchV Anhang 2 nicht eingehalten werden können. Bei den Kohlenwasserstoffen zeigen Messungen in Sedimenten, dass die Schadstoffgehalte auch höher als der Richtwert T der Aushubrichtlinie sein können. Wird solch belastetes Sediment gestört oder entnommen muss es im Sinne von verschmutztem Aushub TVA-konform deponiert werden. AquaPlus Elber Hürlimann Niederberger 7

8 Zusammenfassung Die stofflichen Auswirkungen manifestieren sich somit u. a. in Feinsedimentablagerungen (Seeufer, Kleinseen, Stauräume, in strömungsberuhigten Hinterwasserzonen, revitalisierten Gewässern etc.). Solch belastete Feinsedimente sind oft im Feld schon infolge Schwarzfärbung und mittels Geruch nach Kohlenwasserstoffen wie Öl, Petrol oder Teer erkennbar. Die im Rahmen dieser Studie vorgenommene Modellierung eines punktuellen Zinkeintrages in Seeufer, ergab, dass je nach Ufertyp in einem Umkreis der Punkteinleitung von 30 bis 100 m mit einer Überschreitung der Zielvorgabe gemäss IKSR gerechnet werden muss. Unbehandeltes Strassenabwasser generiert, basierend auf dieser Modellierung, je nach Verkehrsaufkommen und Steilheit der Flachwasserzone eine mit Zink belastete Sedimentfläche, welche in etwa 10 bis 25 % der entwässerten Strassenfläche entspricht. Biologische Auswirkungen Die biologischen Auswirkungen, verursacht durch Schadstoffe im Strassenabwasser können vielfältig sein. Strassenabwasser wirkt aber trotz zum Teil beachtlich hohen Konzentrationen kaum akut toxisch auf Wasserorganismen. Dazu dürfte die Einwirkdauer von typischerweise Stunden bis 1 Tag zu kurz sein. Von grösserer Wichtigkeit werden chronische Effekte, wie Schadstoffakkumulation im Gewebe der Organismen, Wachstumshemmung, Embryotoxizität, Verhaltensstörungen etc. sein. Insbesondere bei wenig mobilen und sessilen Organismen wie Wasserpflanzen, Schnecken, Muscheln etc. und Feinsedimentfresser und bewohner sind toxische Effekte zu erwarten. Dies daher, weil Feinsedimente für viele Organismen zugleich auch Lebensraum, Entwicklungsort (Eigelege, Larven) und Nahrung (organische Partikel) darstellen. Da neben Strassenabwasser oft gleichzeitig weitere Faktoren aus der Siedlungsentwässerung wie auch aus der Landwirtschaft als Stressoren wirken oder eine Vorbelastung vorhanden ist, kann der durch das Strassenabwasser verursachte biologische Schaden, selten einfach eruiert werden. Auswirkungen auf Lebensräume Strassenabwasser wirkt je nach Belastung und je nach Lebensraum unterschiedlich. Betroffen und besonders gefährdet sind, sei es infolge hydraulischer, morphologischer, stofflicher oder biologischer Auswirkungen, diejenigen Lebensräume: - mit erhöhtem Potenzial zu Sedimentation (Seeufer, Flachwasserzonen, Kleinseen, Stauhaltungen, Hinter- und Stillwasserbereiche in Auengebieten und revitalisierten Gewässern, kleine Bäche mit wenig Gefälle etc.), - mit geringer Grösse (< 2 m Bachbreite, < 50 ha Fläche, mittlerer jährlicher Abfluss < 100 l/s), - quellnaher Lage (Quelltöpfe, Quellbäche), - wenig Dynamik (wenig oft Geschiebetrieb, feines Substrat), - Grundwasser gespiesene Gewässer (sommerkalte und winterwarme Gewässer), - stark verbaute Gewässer mit wenig Wiederbesiedlungspotenzial und - Restwasserstrecken (erhöhte Sedimentation infolge geringerer Fliessgeschwindigkeit). AquaPlus Elber Hürlimann Niederberger 8

9 Zusammenfassung Im Weiteren sollten folgende Nutzungen und Schutzgebiete kein oder nur behandeltes Strassenabwasser zugeführt bekommen: - Fischaufzuchtgewässer, - Fischzuchtanlagen, welche Wasser von einem Gewässer entnehmen, - Naturschutzgebiete mit aquatischem Bezug (Auen, Feuchtgebiete, Flach- und Hochmoore, Amphibienlaichgewässer, Wasser- und Zugvogelreservate), - Grundwasser (Gewässerschutzzonen S1, S2 und -areale). Situationsanalyse Schweiz Die Situationsanalyse Schweiz zeigt, dass sich Belastungen durch Strassenabwasser vermutlich oft als Stoffbelastungen im Feinsediment und damit bei den Sedimentbewohnern manifestieren. Basierend auf einer einfachen Hochrechnung dürfte die strassenbürtige GUS-Fracht um 14'000 t/jahr und diejenige von Zink um 39 t/jahr sein. Diese schadstoffhaltigen Sedimente dürften vor allem in Gewässern vorkommen, welche sich entlang stark befahrener Strassen befinden. Sie sind kaum grossflächig ausgeprägt und können bei Hochwasserabflüssen abwärts verfrachtet werden. Da oft erhöhte Sedimentbelastungen zu erwarten sind, wäre es für den Vollzug sinnvoll, wenn z.b. die numerischen Anforderungen der GSchV Anhang 2 um Anforderungen bezüglich der Sedimentqualität ergänzt würden (Angaben bezogen auf das Trockengewicht). Der Stand des Wissens ist insbesondere hinsichtlich der biotischen Auswirkungen auf Flora und Fauna gering. Dazu fehlen gezielte und umfassende chemische, ökologische und ökotoxikologische Untersuchungen, insbesondere solche in Zusammenhang mit Sedimentbewohnern und in Flachwasserzonen. In Tabelle 1.1 sind zusammenfassend wichtige Erkenntnisse über einzelne Schadstoffe aufgeführt sowie die numerischen Anforderungen gemäss GSchV Anhang 2. Es zeigt sich, basierend auf typischen Konzentrationen in Strassenabwasser und bei der Annahme, dass eingeleitetes Strassenabwasser zehnfach verdünnt wird, dass zumindest die Schwermetalle Zink, Kupfer, Quecksilber, Cadmium und Blei sowie der DOC-Gehalt problematisch sind, da sie zu Konzentrationen im Gewässer führen können, die höher sind als die numerischen Anforderungen gemäss GSchV Anhang 2. Für viele Stoffe sind aber keine numerischen Anforderungen vorhanden, so dass diese Prüfung auf das Einhalten gesetzlicher Normen nicht möglich ist. In Tabelle 1.2 befindet sich eine Zusammenstellung von Informationen mit Verweisen auf die jeweiligen Kapitel, Tabellen und Abbildungen. Gemäss Auftragserteilung gilt es im Folgenden noch die gestellten Fragen zu beantworten. Führen Strassenabwassereinleitungen in Gewässern zu gewässerökologischen Problemen, welche vordringlich behoben werden müssen? Wie stellt sich die Situation in der Schweiz dar? Aufgrund der zum Teil sehr hohen Konzentrationen an Schadstoffen im unbehandelten Strassenabwasser (siehe Tab. 4.3) sowie der damit bedingten hohen Stofffrachten (siehe Tab. 4.4 und Kapitel 6.7) kann angenommen werden, dass dies sich gewässerökologisch negativ auswirkt. Jährlich dürften in der Schweiz gemäss einer einfachen Hochrechnung rund 14'000 t/gus respektive 39 t Zink anfallen. AquaPlus Elber Hürlimann Niederberger 9

10 Zusammenfassung Insbesondere während mittleren bis hohen Regenereignissen werden gemäss Untersuchungen an der Urtenen BE die numerischen Anforderungen gemäss GSchV Anhang 2 hinsichtlich Zink, Kupfer und Blei oft nicht erfüllt. Da ein beachtlicher Teil der Schadstoffe partikulär gebunden ist, lagern sich die Schadstoffe auch in Feinsedimenten ab (Flachwasserzonen, Kleinseen, Hinterwasser und Stehgewässer grosser Flüsse, Stauhaltungen, kleine Bäche). Strassenabwasser wirkt vermutlich selten akut toxisch auf Wasserorganismen, da die Konzentrationen selten über eine längere Zeit (Tage) erhöht sind. Sie lösen aber mit grosser Wahrscheinlichkeit chronische Effekte insbesondere bei wenig mobilen und sessilen Organismen wie Wasserpflanzen, Schnecken, Muscheln etc. und Feinsedimentfresser und bewohner aus. Als chronische Effekte sind Stoffakkumulation in Geweben von Organismen, Wachstumshemmung, Verhaltensstörungen, Immobilität, Embryotoxizität etc. denkbar. Die Behandlung von Strassenabwasser ist daher sinnvoll und möglichst zu forcieren. Mit der Reduktion der partikulären Fracht kann die Menge belasteter Feinsedimente reduziert werden, was sich positiv auf die Qualität und Beschaffenheit der Lebensräume auswirkt. Wie priorisiert man Strassenabwassereinleitungen hinsichtlich einer Sanierung? Lange Strassenabschnitte mit hohem Verkehrsaufkommen, welche direkt in sensible Gewässer entwässern, sollten prioritär saniert werden. In Kapitel 6.5 und 1 sind sensible Gewässer und Lokalitäten sowie heikle Nutzungen aufgeführt. Sensible Gewässer sind generell kleine Fliessgewässer, Kleinseen, Flachwasserzonen sowie sehr saubere Gewässer, stark verbaute Gewässer ohne Rückzugsmöglichkeiten für Organismen, Oberflächengewässer mit direktem Grundwasserkontakt (Versickerung) sowie Grundwasser gespiesene Bäche. Die durch das Tiefbauamt des Kantons Zürich durchgeführte Priorisierung zur Sanierung der Strassenabschnitte könnte Vorbild sein für eine schweizweite Priorisierung zumindest der Nationalstrassen. Dazu müssten aber die Einleitstellen in die Gewässer GIS-tauglich bekannt sein. AquaPlus Elber Hürlimann Niederberger 10

11 Zusammenfassung Tab. 1.1 Zusammenstellung von Informationen aus diesem Bericht über Schadstoffe im Strassenabwasser, deren typischen Konzentrationen und mögliche Auswirkungen. Fett hervorgehobene Schadstoffe bedeuten, dass die festgestellten Konzentrationen im Strassenabwasser mehr als dem 10-fachen der numerischen Anforderungen der GSchV Anhang 2 entsprechen können. *Bei den aufgeführten Konzentrationen handelt es sich weitgehend um Gesamtgehalte. Weitere Informationen zu Schadstoffen in Strassenabwässer siehe Hürlimann et al., 2011 (Anhang B). Schadstoff Konzentrationen im Strassenabwasser (Minimal und Maximalwerte)* Numerische Anforderungen (GSchV Anhang 2) Äusserer Aspekt Toxikologische Auswirkungen (Tab. 4.3, Scheiwiller 2008) Gesamtphosphor (P tot) Nitrit (NO 2) mg/l 0.4 mg/l Ammonium (NH 4) 1.2 mg/l > 10 C: 0.2 mg/l N < 10 C: 0.4 mg/l N Nitrat (NO 3) 6 mg/l Für Fliessgewässer, die der Trinkwassernutzung dienen: 5.6 mg/l Nitrat erhöhte Werte können zu einer Eutrophierung führen, insbesondere in stehenden Kleingewässern Erhöhung der pflanzlichen und tierischen Biomasse (Produktion) und dadurch bedingt eine erhöhte bakterielle Zersetzung, Sauerstoffzehrung und Verschlammung Fische: Ammonium und Nitrit sind je nach Temperatur und ph-wert respektive Chloridgehalt fischtoxisch Sulphat (SO 4) Chlorid (Cl) 40 mg/l * mg/l * während Strassensalzung Kiemenatmer: Störung der Ionen- und Osmoregulation Einzeller und Mehrzeller: kaum offensichtliche Auswirkungen in Zusammenhang mit der Wintersalzung erkennbar; bei länger andauernder hoher Salzkonzentration treten salztolerante Kieselalgenarten auf. Pflanzen: bei höheren terrestrischen Pflanzen Schäden durch Wintersalzung gut bekannt, daher bei höheren winterharten Wasserpflanzen eventuell auch Schäden Fische v.a Salmoniden: hoher Chloridgehalt geringe Nitritempfindlichkeit Mangan (Mn) Schwermetalle werden v. a. in partikulärer Form sowie in Feinsedimentablagerungen festgestellt Antimon (Sb) mg/l Antimon ist um ein Vielfaches giftiger als Blei, Bioakkumulationen findet man in Pflanzen am Strassenrand Aluminium (Al) 19 mg/l Blei (Pb) mg/l Sediment: mg/kgts mg/l (gelöst) 0.01 mg/l (gesamt) Ablagerung von schwarzen Partikeln durch Pneuabrieb etc. Schwermetalle werden v. a. in partikulärer Form sowie in Feinsedimentablagerungen festgestellt Algen: 0.03 mg/l (Wachstumshemmung) Hyalella azteca: 0.03 mg/l Mortalität Forellen: ab mg/l neurophysiologische Störungen Cadmium (Cd) mg/l Sediment: mg/kgts mg/l (gelöst) mg/l (gesamt) Ablagerung von schwarzen Partikeln durch Pneuabrieb etc. Schwermetalle werden v. a. in partikulärer Form sowie in Feinsedimentablagerungen festgestellt Fische: Toxizität von Cd für Fische nimmt mit abnehmender Wasserhärte zu. Hoher Salz- und Calciumgehalt verringert die Toxizität. Salmoniden sind empfindlicher als Cypriniden. Häufig werden in der Literatur nur nominale und nicht die effektiv gemessenen Cd- Konzentrationen angegeben, dadurch schwanken die Schwellenwerte für Mortalität und Verhaltensstörungen für Fische im Bereich zwischen mg/l und 0.5 mg/l AquaPlus Elber Hürlimann Niederberger 11

12 Zusammenfassung Chrom (Cr) Sediment: mg/kgts mg/l Cr (III und VI) mg/l (gesamt) Schwermetalle werden v. a. in partikulärer Form sowie in Feinsedimentablagerungen festgestellt Kupfer (Cu) mg/l Sediment: mg/l (gelöst) mg/l (gesamt) Ablagerung von schwarzen Partikeln durch Pneuabrieb etc. Süsswasserfische: 0.1 mg/l (letal) Daphnia magna: mg/l (letal) mg/kgts Schwermetalle werden v. a. in partikulärer Form sowie in Feinsedimentablagerungen festgestellt Gammarus pulex: 0.07 mg/l (subletal) keine Anreicherung in der Nahrungskette Nickel (Ni) mg/l Sediment: mg/l (gelöst) Ablagerung von schwarzen Partikeln durch Pneuabrieb etc mg/kgts 0.01 mg/l (gesamt) Schwermetalle werden v. a. in partikulärer Form sowie in Feinsedimentablagerungen festgestellt Platin (Pt), Palladium (Pd), Rhodium (Rh) Schwermetalle werden v. a. in partikulärer Form sowie in Feinsedimentablagerungen festgestellt Noch nicht viel bekannt über Umwelttoxizität, bis anhin auch keine Grenzwerte. Grösste Akkumulation von Pd, Pt und Rh bei Tieren in Leber und Niere mit folgender Aufnahmeaffinität: Pd>Pt>Rh Zink (Zn) mg/l Sediment: mg/kgts mg/l (gelöst) 0.02 mg/l (gesamt) Ablagerung von schwarzen Partikeln durch Pneuabrieb etc. Schwermetalle werden v. a. in partikulärer Form sowie in Feinsedimentablagerungen festgestellt Forellen: kann die Aufnahme von Calcium unterbinden ab mg Zn/l z. T. schon Beeinträchtigungen in der Fortpflanzung Quecksilber (Hg) mg/l Sediment: mg/kgts mg/l (gelöst) mg/l (gesamt) Schwermetalle werden v. a. in partikulärer Form sowie in Feinsedimentablagerungen festgestellt Fische: mg/l akut letal Salmoniden (Forellenartige) reagieren empfindlicher als Cypriniden (Karpfenartige); Konzentrationen von < mg/l Hg können für vier Tage alte Dottersackforellen schon letal sein Eisen (Fe) mg/l Eisensulfid bewirkt Schwarzfärbung des Feinsediments Schwermetalle werden v. a. in partikulärer Form sowie in Feinsedimentablagerungen festgestellt polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) mg/l Sediment: mg/kgts Stark erhöhte Sedimentgehalte in unmittelbarer Nähe zur Einleitstelle PAK in Sedimenten wirkt toxisch auf Wasserwirbellose wie Bachflohkrebse (Gammarus pulex), Einstufung als Umweltkarzinogene gelöster organischer Kohlenstoff (DOC) 7-53 mg/l 1 bis 4 mg/l C Bei natürlicherweise wenig belasteten Gewässern gilt der untere Wert. Totaler organischer Kohlenstoff (TOC) 16 mg/l Kohlenwasserstoffe 8 mg/l Sediment: '250 mg/kgts Geruch nach Benzin, Öl, Teer Gelöst und partikulär Wenig bekannt über ökotoxikologische Auswirkungen. Vermutlich Sedimente problematischer als gelöste Stoffe in der fliessenden Welle. Anilin Im Bereich von µg/l Als gefährlich einzustufen; hohe aquatische Toxizität. Methyltert- Butylether (MTBE) mg/l Geruch, Geschmack ab etwa mg/l Zeigt keine besonders auffällige toxische und ökotoxische Wirkung. Benzo(a)-pyren Sediment: mg/kgts stark erhöhte Sedimentgehalte in unmittelbarer Nähe zur Einleitstelle AquaPlus Elber Hürlimann Niederberger 12

13 Zusammenfassung Benzothiazol Im Bereich von µg/l Ablagerung von schwarzen Partikeln durch Pneuabrieb etc. Als gefährlich einzustufen; hohe aquatische Toxizität. Cyclohexylamin Im Bereich von µg/l Ablagerung von schwarzen Partikeln durch Pneuabrieb etc. Als gefährlich einzustufen; hohe aquatische Toxizität. Pestizide Organische Herbizide Gesamte ungelöste Stoffe (GUS) mg/l je Einzel-stoff. Vorbehalten bleiben andere Werte auf Grund von Einzelstoffbeurteilungen im Rahmen des Zulassungsverfahrens mg/l Starke Trübung (oft tagelang, da kleinste Partikel sehr langsam absinken),belastete Feinsedimente, Ablagerung von schwarzen Partikeln durch Pneuabrieb etc. Filtrierer, Sedimentbewohner und im Wasser atmende Tiere (v. a. Fische): besonders gefährdet; Bioakkumulation möglich Tab. 1.2: Zusammenstellung von Informationen mit Verweisen auf Kapitel, Tabellen und Abbildungen. Thema Kap. Tab. Abb. Bemerkungen Angaben zum Strassennetz der Schweiz 4.1 Tab. 4.1 Abb. 4.1 Autobahnen: 1'765 km in Betrieb, 34'000 mittlerer DTV Hauptstrassen: rund 18'000 km, 7'200 mittlerer DTV Schadstoffe 4.2 Tab. 4.2 Stoffliste mit Angabe der Herkunft Schadstoffkonzentrationen 4.2 Tab. 4.3 frachtgewogene Mittelwerte Schadstofffrachten 4.2 Tab. 4.4 für GUS, DOC, Schwermetalle und PAK 4.2 Tab. 4.5 Kennwerte für die Berechnung der Stofffrachten Dynamik 4.3 Abb. 4.3 Saisonaliät sowie stoffliche und hydraulische Dynamik Immissionen: Überblick 5.1 Abb. 5.1 Überblick bez. Eintragswege in die Umwelt - Literatur 5.2 Literaturüberblick - Hydraulik, Hydrologie 5.3 Tab. 5.2 Abb. 5.2 hydraulische Auswirkungen - Morphologie 5.4 Abb. 5.3 morphologische Auswirkungen - Äusserer Aspekt 5.5 Tab. 5.3 Abb. 5.4 Auswirkungen auf den Äusseren Aspekt - Stoffe 5.6 Tab. 5.4 Abb. 5.5 Temperatur, ph-wert, Trübung 5.6 Tab. 5.5 Abb. 5.6 Leitfähigkeit 5.6 Phosphor, Stickstoff 5.6 Abb. 5.7 GUS, Schwermetalle 5.6 Tab. 5.6 Abb. 5.8 Sedimentbelastung Abb Tab. 5.7 Abb. 5.1 Kohlenwasserstoffe 5.8 Abb Modellierung der Sedimentbelastung bei Seeufer - Biologie 5.7 Tab. 5.8 Literaturüberblick, Methodenvergleich Tab. 5.8 Oekotoxikologische Kennwerte - Lebensraum 5.9 Sensible Gewässertypen und Lebensräume Situationsanalyse Schweiz 6 Diverse Einschätzungen und Empfehlungen Literatur 7, 8 Alphabetisches und thematisches Literaturverzeichnis AquaPlus Elber Hürlimann Niederberger 13

14 Ausgangslage und Ziele 2 Ausgangslage und Ziele Die Strassen in der Schweiz werden grösstenteils ohne Vorbehandlung in die Oberflächengewässer entwässert. Strassenabwasser kann mit gesamten ungelösten Stoffen (GUS), Schwermetallen, polycyclischen aromatischen Kohlenwasserstoffen (PAK) und Benzinzusatzstoffen hoch belastet sein. Die Gewässerschutzverordnung (GSchV) verlangt, dass verschmutztes Abwasser behandelt werden muss, bevor es in ein Gewässer eingeleitet wird. Die BAFU-Wegleitung Gewässerschutz bei der Entwässerung von Verkehrswegen existiert seit Obwohl schon einige Strassenabschnitte gemäss dieser Wegleitung entwässert werden, dürften noch mindestens mehrere Jahrzehnte vergehen, bis beispielsweise sämtliche Nationalstrassenentwässerungen saniert sind. Das vorliegende Projekt soll die Grundlagen für die Frage liefern, ob und wenn ja, welche Strassenabschnitte vordringlich saniert werden müssen. Im Weiteren werden Grundlagen erarbeitet, um die Relevanz von Strassenabwasser im Vergleich zu anderen diffusen Einträgen zu beurteilen (z.b. Mikroverunreinigungen in Oberflächengewässern). Im Rahmen dieses Projektes soll eine Situationsanalyse für die Schweiz hinsichtlich gewässerökologischer Auswirkungen von Strassenabwasser durchgeführt werden basierend auf einer Literaturstudie und Expertenbefragungen. Diese Analyse umfasst stehende und fliessende Gewässer und versucht zwischen unterschiedlichen Gewässertypen (Flachwasserzonen, Steilufern, Kleinseen, langsam fliessenden Gewässern etc.) zu unterscheiden. Die Situationsanalyse soll die Beantwortung folgender Fragen ermöglichen: - Führen Strassenabwassereinleitungen in Gewässer zu gewässerökologischen Problemen, welche vordringlich behoben werden müssen? - Wie stellt sich die Situation in der Schweiz dar? - Wie priorisiert man Strassenabwassereinleitungen hinsichtlich einer Sanierung? AquaPlus Elber Hürlimann Niederberger 14

15 Vorgehen 3 Vorgehen 3.1 Informations- und Datenbeschaffung Die verwendete Literatur wurde folgendermassen beschafft: - Literaturdatenbank AquaPlus: Von ca. 32'500 erfassten Publikationen erhielten 372 Publikationen (ca. 1 %) die Schlagwörter Strasse, Verkehr, urban, urban river, highway runoff, urban stormwater, Autobahn, Nationalstrasse, Immissionen. Diese 372 Publikationen wurden hinsichtlich Auswirkungen von Strassenabwasser auf die Gewässer geprüft. - Suche nach Literatur in der Bibliothek der EAWAG / ETH, - Suche nach Literatur im Internet, - Umfrage bei den Kantonen, Institutionen und privaten Büros mit Hilfe eines Fragebogens. Im Literaturverzeichnis sind die benutzten Publikationen und Berichte alphabetisch wie auch thematisch gegliedert. In Abb. 3.1 ist die Zahl der in dieser Arbeit verwendeten Literaturzitate pro Thema in der zeitlichen Entwicklung ersichtlich. Es zeigt sich, dass die Problematik des Strassenabwassers bereits in den 1970er Jahren erkannt wurde. Anschliessend gab es in den 1980er, 1990er Jahren und ab ca bis heute vermehrt Untersuchungen. Insgesamt flossen 220 Studien und Berichte in die Arbeit ein. Abb. 3.1: Jährliche Anzahl verwendeter Publikationen, gegliedert nach Themen (n = 220). Datenbasis: Literaturverzeichnis Kapitel 8 sowie 44 Studien gemäss FHWA (2003). AquaPlus Elber Hürlimann Niederberger 15

16 Vorgehen 3.2 Auswertungen Die Auswertungen erfolgten durch: - Auswertung der Umfrage (Expertenwissen), - Studium der eigenen Untersuchungen, - Zusammenstellung von ökotoxikologischen Tests hinsichtlich strassenbürtiger Stoffe, - Abschätzung von Stofffrachten mit Hilfe von Stoffkonzentrationen. 3.3 Modellierung Mit Hilfe eines mathematischen Modells zur Berechnung der Sedimentkonzentrationen wurde die durch Strassenabwasser bedingte Konzentrationserhöhung im ufernahen Sediment von Seen berechnet. Diese Berechnungen wurden am Beispiel des Schwermetalls Zink unter Berücksichtigung von 2 Typen von Strassenbelastungen (20'000 und 40'000 DTV) und 3 Ufertypen (steil, mittelsteil, flach) durchgeführt. Die Berechnungen erfolgten durch Dr. Michele Steiner, wst21 Zürich, in Anlehnung an die durchgeführte Zürichseestudie (AWEL 2009b). Details zur Parametrierung des Modells (Speziierung von Zink, Partikelgrössen, Fraktionen, gewählte Sedimentationsgeschwindigkeiten, turbulente horizontale Diffusion etc.) sowie zur Definition der Seeufertypen siehe Anhang A. 3.4 Situationsanalyse Schweiz Die Situationsanalyse basiert grundsätzlich auf zwei Ansätzen, nämlich der Literaturstudie (siehe Kapitel 3.1) und der Expertenbefragung. Die Expertenbefragung erfolgte mittels eines Fragebogens. Die Auswertung dieses Fragebogens führte zu Erkenntnissen, welche in die Situationsanalyse Schweiz einflossen (siehe Kapitel 6.1). Die im Rahmen der Expertenbefragung uns zur Verfügung gestellten Studien, respektive die daraus gewonnenen Erkenntnisse flossen in die Literaturstudie ein. Die Situationsanalyse bezogen auf die Verhältnisse in der Schweiz erfolgte laufend indem relevante qualitative oder quantifizierbare Erkenntnisse oder Auswirkungen folgenden Themen oder Aspekten zugeordnet wurden: - Erkenntnisse basierend auf dem Fragebogen (Expertenwissen), - Stand des Wissens, - Gesetze, Wegleitungen, Richtlinien, - Problematische Prozesse, - Problematische Lokalitäten, Lebensräume und Regionen der Schweiz, - Problematische Nutzungen, - Stofffrachten in Schweizer Gewässer, - Empfehlungen. AquaPlus Elber Hürlimann Niederberger 16

17 Die Situationsanalyse Schweiz stellt einen Versuch dar, die Problematik Strassenabwasser respektive die Auswirkungen (Immissionen) auf die abiotischen und biotischen Aspekte im Sinne einer Auslegeordnung darzustellen. Insbesondere die Abschätzung der strassenbürtigen Stofffrachten beinhaltet grosse Unsicherheiten. Es sollen nur die Grössenordnungen aufgezeigt werden. AquaPlus Elber Hürlimann Niederberger 17

18 Charakterisierung von Strassenabwasser 4 Charakterisierung von Strassenabwasser Strassenabwasser enthält eine Vielzahl von potenziellen Schadstoffen. Dabei handelt es sich vorwiegend um Schwermetalle, Kohlenwasserstoffe und in geringeren Mengen um Katalysator- und Benzinzusatzstoffe. Durch die stoffliche und hydraulische Dynamik während einem Regenereignis, wie auch durch saisonale Unterschiede, erweist sich die qualitative und quantitative Charakterisierung des Strassenabwassers als schwierig. Je nach Strassentyp, Breite des Fahrbahnstreifens und Fahrtgeschwindigkeit fliessen lediglich % der Gesamtemission des Strassenverkehrs im abfliessenden Strassenabwasser ab. Mittels einer sehr groben Schätzung durch AquaPlus, wurden folgende jährliche Stofffrachten für Autobahnen und Hauptstrassen berechnet (t/jahr): 14'000 GUS, 1.5 Cr, 8.1 Cu, 0.8 Ni, 2.0 Pb, 39 Zn, 1'900 DOC, 0.3 PAK. 4.1 Angaben zum Strassennetz der Schweiz Die Verkehrsdichte gibt wichtige Hinweise hinsichtlich der insgesamt anfallenden Schadstofffracht. In der Schweiz verursacht der Verkehr auf den Nationalstrassen einen beachtlichen Teil (ca. ein Drittel) der geschätzten Gesamtfracht. Die Länge sämtlicher Autobahnen macht allerdings nur rund 10 % aller eher stark befahrenen Strassen aus (= National- und Hauptstrassen). Insofern ist auch eine sehr grosse Schadstofffracht seitens der Hauptstrassen zu erwarten, insbesondere in den städtischen Gebieten und Agglomerationen. Das Strassennetz der Schweiz respektive die Anzahl Motorfahrzeuge charakterisieren Lehmann (2010) und ASTRA (2009) folgendermassen: Strassennetz (Länge und Fläche) der Schweiz - 20'000 km National- und Kantonsstrassen, - 1'765 km Nationalstrassen in Betrieb und 1'892.5 km insgesamt (inkl. geplant, Stand 2009), - 50'000 km Gemeindestrassen, - 82'000 ha Strassenfläche (entspricht 2 % der Landesfläche, durchschnittliche Strassenbreite 11.7 m). Anzahl Motorfahrzeuge und Einwohner in der Schweiz Millionen Motorfahrzeuge, Millionen Einwohner. Das Schweizer Strassennetz weist mit den National-, Kantons- und Gemeindestrassen somit rund eine Länge von 70'000 km auf und ist in etwa gleich lang wie das Gewässernetz der Schweiz, welches eine Länge von rund 65'000 km hat (BAFU 2009a, Basis 1:25'000 Landeskarte). In Abb. 4.1 befindet sich das Nationalstrassennetz mit dem durchschnittlichen täglichen Verkehrsaufkommen (DTV) im Jahre Im ganzen Mittelland (Ost-, Nordund Westschweiz) wie auch im Tessin nahm das Verkehrsaufkommen auf dem Nationalstrassennetz im Jahr AquaPlus Elber Hürlimann Niederberger 18

19 Charakterisierung von Strassenabwasser 2008 Werte zwischen rund 20'000 und 100'000 DTV ein. Weniger als 15'000 DTV wurden nur auf wenigen Strassenabschnitten im Grenzbereich zu Nachbarländern (A16: Biel bis Delémont, A13: Thusis bis Bellinzona; A9: Simplon, A9: Vallorbe, A7: Frauenfeld bis Kreuzlingen) oder in den Alpen (A8: Interlaken bis Sarnen, A28: Landquart bis Davos) festgestellt. In Abb. 4.2 sind zusätzlich zu den Autobahnen und -strassen alle anderen dicht befahrenen Strassen abgebildet. Basierend auf der Verkehrszählung 2008 ist ersichtlich, dass die grösste Verkehrsdichte im Umfeld der Städte (Liestal, Basel, Zürich, Bern, Lausanne, Winterthur, St. Gallen, Lugano, Aarau, Genf) respektive auf den Autobahnen A1, A2 und A3 vorhanden ist. Die Verkehrsdichte ist auf den Autobahnen mit wenigen Ausnahmen im Bereich der Städte Liestal, Zürich, Genf und Lugano um ein Vielfaches höher als auf den übrigen Strassen. Im Jahresdurchschnitt betrug das Verkehrsaufkommen im Zeitraum 2005 bis 2008 gemässtab. 4.1 auf Nationalstrassen rund 34'000 DTV und auf Hauptstrassen um 7'200 DTV, unabhängig ob bezogen nur auf den Werkverkehr (Montag bis Freitag) oder auf die ganze Woche, also inkl. Wochenende (RappTrans 2009). Die Verkehrsdichte gibt auch Hinweise hinsichtlich der insgesamt anfallenden Schadstofffracht, womit in der Schweiz der Verkehr auf den Autobahnen einen beachtlichen Teil der stofflichen Emissionen verursacht. Zumindest dürfte bei Regenereignissen nach längerer Trockenzeit durch Autobahnflächen jeweils eine hohe Schadstofffracht anfallen. Die Länge sämtlicher Autobahnen macht aber nur rund 10 % aller eher stark befahrenen Strassen aus (= National- und Hauptstrassen, Belastung respektive Verkehrsaufkommen siehe Tab. 4.1). Insofern ist auch eine sehr grosse Schadstofffracht seitens der Hauptstrassen zu erwarten, insbesondere in den städtischen Gebieten und Agglomerationen. Abb. 4.1: Schweizerisches Nationalstrassennetz und durchschnittlicher Tagesverkehr DTV des Jahres Quelle: Bundesamt für Strassen, automatische Strassenzählung (AVZ) 2008 (ASTRA 2009). AquaPlus Elber Hürlimann Niederberger 19

20 Charakterisierung von Strassenabwasser Abb. 4.2: Strassennetz der Schweiz und tägliches Verkehrsaufkommen des Jahres Quelle: http: // grün: Autobahnen und Autostrassen, blau: übrige Strassen. AquaPlus Elber Hürlimann Niederberger 20

21 Charakterisierung von Strassenabwasser Tab. 4.1: Durchschnittliches Verkehrsaufkommen auf National- und Hauptstrassen der Schweiz der Jahre 2005 bis 2008 gemäss RappTrans (2009). Durchschnittliches Verkehrsaufkommen für Hauptstrassen, alle Fahrzeuge DTV (24) DWV (24) Jahr Durchschnittliche Belastung Durchschnittliche Belastung Durchschnittliches Verkehrsaufkommen für Nationalstrassen, alle Fahrzeuge DTV (24) DWV (24) Jahr Durchschnittliche Belastung Durchschnittliche Belastung DTV(24) DWV(24) Durchschnittlicher täglicher Verkehr auf einem Strassenquerschnitt während 24 Stunden Durchschnittlicher werktäglicher (MO-FR) Verkehr auf einem Strassenquerschnitt während 24 Stunden Gemäss dem Bundesamt für Statistik und dem Bundesamt für Raumentwicklung (2007) fuhr im Jahr 2005 jede Person 26.2 km / Tag mit einem Motorrad oder Personenwagen. Dies ergibt pro Jahr und Person rund 9'500 km respektive 72'000 Millionen km / Jahr für die ganze Bevölkerung der Schweiz, wobei dies eine zu hohe Gesamtfahrleistung sein dürfte, da ja die Fahrten nicht immer alleine sondern z. T. mehrere Personen zusammen im selben Fahrzeug absolviert werden. Demgegenüber dürften die in der Schweiz gefahrenen Kilometer ausländischer Fahrzeuge nicht einberechnet sein. Der Benzinverbrauch in der Schweiz betrug im Jahr 2008 gemäss Website der Erdöl Vereinigung Schweiz 2 rund 3.4 Mio. Tonnen respektive rund 4.5 Mio. Liter Benzin (Dichte ca kg/l). Wenn ein Fahrzeug zwischen 6 und 12 Liter Benzin / 100 km benötigt, so wurden demnach (ohne Dieselfahrzeuge) im Jahr 2008 rund 38'000 bis 75'000 Mio. km gefahren. Gemäss Infras, ARE & BUWAL (2004) betrug die Gesamtfahrleistung der Personenwagen in der Schweiz im Jahr 2005 um 50'000 Millionen gefahrenen Kilometer. Der Anteil der Fahrleistung der ausländischen Fahrzeuge an der Gesamtfahrleistung sei mit ca. 13 % seit 2002 konstant. Diese Gesamtfahrleistung entspricht in etwa derselben Grössenordnung wie jene, welche über die Bevölkerung oder dem Benzinverbrauch hochgerechnet und könnte als Berechnungsgrundlage verwendet werden. Gemäss Angaben in Ochsenbein & Scheiwiller (2010) gibt es auf den rund 1'700 km Autobahnen etwa 1'000 Einleitstellen in ein Gewässer, respektive im Durchschnitt etwa 1 Einleitstelle pro 1.7 km Autobahn (= 0.6 Einleitstelle / km Autobahn). 2 AquaPlus Elber Hürlimann Niederberger 21

22 Charakterisierung von Strassenabwasser 4.2 Stofffrachten und -konzentrationen Strassenabwasser fällt nur an, wenn es regnet. Wie viel von der Gesamtemission des Strassenverkehrs allerdings in die Gewässer gelangt, hängt von zahlreichen Einflussfaktoren ab. Beeinflusst werden diese Emissionen u.a. durch Strassenzustand, Witterung, Regenintensität, Dauer der Trockenperiode vor dem Regenereignis, Verkehrsaufkommen und Schwerverkehr, Fahrverhalten, Fahrgeschwindigkeit, seitliche Barrieren, Verwehungen, Entwässerungssystem sowie Strassenlängs- und quergefälle. Das Strassenabwasser enthält eine Vielzahl von Stoffen, darunter vor allem Schwermetalle und Kohlenwasserstoffe. Durch den Einsatz von neuen Technologien in der Autoindustrie werden in näherer Zukunft vermehrt Katalysatorstoffe wie Antimon und Platingruppenelemente oder Stoffe aus Pneuabrieb (Anilin, Benzothiazol, Cyclohexylamin) und Benzinzusatzstoffe z.b. Methylbertulether (MTBE) an Bedeutung zu nehmen. Daneben können auch weniger bekannter Stoffe anthropogener und natürlicher Herkunft vorkommen, wie beispielsweise nichtionische Tenside, Phytosterole, Flammenschutzmittel, Holzschutzmittel und Antioxidantien. In diesem Kapitel wurden die jährlichen Stofffrachten geschätzt. Obwohl es sich um ganz grobe Schätzungen mit vielen Unsicherheiten handelt, können Grössenordnungen erkannt werden. Eintragswege und Eintragsfaktoren Strassenabwasser fällt nur an, wenn es regnet. Ein grosser Teil des Strassenabwassers wird dabei durch Verwehung und Spritzwasser (= Sprühverluste) in der näheren Umgebung der Fahrbahn (Bankett) abgelagert (partikulärer Anteil) oder versickert ins Grundwasser (gelöster Anteil). Untersuchungen der Berner Fachhochschule in Burgdorf zeigten, dass % der Gesamtemission des Strassenverkehrs im abfliessenden Regenwasser gefasst werden können (Steiner et al. 2006, VSS 2007). Eine wesentliche Rolle spielt dabei die Breite des seitlich befestigten Fahrbahnstreifens, da er zur Menge der abgeleiteten Spritzwassermenge beiträgt. Es wird davon ausgegangen, dass sich auf Strecken ausserorts der Anteil der sich im Regenwasser befindenden Strassenemissionen auf % (meist schmale Standstreifen) reduziert und bei Autobahnen sogar nur bei 10 % liegt (Verwehungen durch hohe Geschwindigkeit). In die Gewässer gelangt somit je nach Situation, Lokalität und Regenereignis (Windstärke, Fahrgeschwindigkeit, Lärmschutzwände, Neigung der Strassen, Topografie etc.) eine unterschiedliche Menge Strassenabwasser. Als Einflussfaktoren für die Verkehrsemissionen gelten neben der Verkehrsdichte die folgenden Faktoren (BUWAL 1996, Hilliges 2007, Schriewer 2007, VSS 2008) als wichtige Grössen: - Anzahl Fahrzeuge (Verkehrsdichte), - Art der Fahrzeuge (Schwerverkehr, Alter etc.), - Fahrverhalten, abhängig von der Topographie (Bremsabrieb, Reifenabrieb), - Strassenunterhalt und Winterdienst, - Fahrbahnabrieb, - Verbrennungsrückstände, - Tropfverluste. Stoffliche Belastung Strassenabwasser enthält eine Vielzahl von Stoffen, deren Konzentrationen sich im Laufe eines Regenereignisses verändern. In Tab. 4.2 sind wichtige strassenbürtige Schadstoffe und deren Herkunft in Zu- AquaPlus Elber Hürlimann Niederberger 22

23 Charakterisierung von Strassenabwasser sammenhang mit Automobilen, Strassenbelägen und Strassenunterhalt aufgelistet. Es sind vorwiegend Schwermetalle und Kohlenwasserstoffe (PAK respektive polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe), welche infolge Reifen-, Bremsen- und Strassenabrieb sowie Benzinrückständen anfallen. Durch den Einsatz von neueren Technologien in der Autoindustrie werden in näherer Zukunft vermehrt Katalysatorstoffe wie Antimon und Platingruppenelemente (PGE: Platin, Palladium, Rhodium), wie auch Stoffe aus Pneuabrieb (Anilin, Benzothiazol, Cyclohexylamin) und Benzinzusatzstoffe z.b. Methylbertulether (MTBE) an Bedeutung zu nehmen (De Vos et al. 2002, Ek et al. 2004, Rudin & Kaufmann 2006, Scheiwiller 2008, Wäber et al. 1998). Im Folgenden werden auserwählte Stoffe oder Stoffgruppen kurz besprochen. Es handelt sich dabei um Stoffe oder Stoffgruppen, die noch wenig untersucht sind oder der Wissensstand noch gering ist, künftig aber die Bedeutung zunehmen könnte. Für Informationen von besser bekannten Stoffe verweisen wir auf Tab. 4.2 und Tab Der Katalysatorstoff Antimon ist um ein Vielfaches giftiger als Blei, jedoch viel schwieriger bestimmbar. Über sein Verhalten im Boden ist bis jetzt noch wenig bekannt (Bayerisches Landesamt für Umwelt 2007). Bei einer Schadstoffabschwemmungsuntersuchung in Mattstetten (A1) wurden in den Sammelproben Antimon in gelöster Form mit Konzentrationen von < 5 µg/l (Mittelwert) und Antimon gesamt mit Konzentrationen von 13 µg/l (Mittelwert) gemessen (Scheiwiller 2008). Ein beachtlicher Teil des Antimons dürfte daher partikelgebunden sein. Ein Rückhalt des Antimons im Bankett zeigten auch die Bodenuntersuchungen anlässlich der Burgdorfstudie (Steiner et al. 2006). In dieser wurden Abflussmessungen bei einer zweispurigen Kantonsstrasse in Burgdorf durchgeführt, die keine seitlich befestigte oder entwässerte Trottoirs, Parkfelder oder Standspuren hat (VSS 2007). Die Platingruppenmetalle (PGM) Platin (Pt), Rhodium (Rh) und Palladium (Pd) werden zur Beschichtung von Drei-Wege-Katalysatoren verwendet. Diverse Untersuchungen wurden schon mit Platin als katalytisch aktive Komponente durchgeführt (LUA 2002). Hingegen wurde Palladium bis anhin sehr wenig in seiner human- oder ökotoxikologischen Relevanz erforscht. Es wird vermutet, dass Palladium ähnlich wie Platin an sehr feinen Partikeln ( 2 µm) haftet und im Schwebestaub hauptsächlich in alveolengängiger Fraktion (< 4 µm) vorkommt. Daten zum mechanischen Abrieb fehlen zur Zeit noch. Für zahlreiche Komponenten des Autos werden Seltenen Erden Elemente (Neodym (Nd), Praseodym (Pr), Dysprosium (Dy), Terbium (Tb), Yttrium (Y), Cer (Ce), Lanthan (La), Europium (Eu)) verwendet (Tages Anzeiger 2010). Deren Stofffrachten im Strassenabwasser sind ungewiss, ebenso die Auswirkungen auf die Umwelt. Im Rahmen von Unterhaltsarbeiten entlang der Strasse werden vermutlich auch Pestizide, z.b. Herbizide verwendet, wenngleich diese mit Ausnahme von Einzelstockbehandlungen eigentlich verboten sind. Es kann angenommen werden, dass z. B. Glyphosat als Unkrautvertilgungsmittel eingesetzt wird. Gemäss Hanke & Singer (2006) werden in der Schweiz rund 190 t Glyphosat pro Jahr verkauft. Weil Glyphosat stark an mineralische Bestandteile des Bodens sorbiert und biologisch gut abbaubar ist, wurde angenommen, dass trotz guter Wasserlöslichkeit, nur geringe Mengen in Oberflächengewässer und Grundwasser gelangen. Analysen der EAWAG zeigten aber, dass Glyphosat und das Abbauprodukt AMPA in allen untersuchten Seen und Fliessgewässern nachgewiesen werden konnten. Zuflüsse des Greifensees wiesen bis 390 ng/l Glyphosat und 180 ng/l AMPA auf (Rhein bei Weil: 30 ng/l Glyphosat und 50 ng/l AMPA). Da nun eine zuverlässige Analytik vorliegt, können Quellen, Eintragswege und Abbauverhalten des Glyphosats untersucht werden. Es wird sich dann zeigen, inwieweit das Strassenabwasser Glyphosate enthält. Im Rahmen dieser Arbeit wurden die Pestizide und deren biologischen Auswirkungen nicht bearbeitet. Siehe dazu die umfassende Publikation des BAFU (2009b) bez. Mikroverunreinigungen. AquaPlus Elber Hürlimann Niederberger 23

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